Impactos entre gotitas a alta velocidad.

Un método de impactar las gotitas de líquido sobre una superficie que comprende proporcionar una serie de gotitas (4) de líquido,

que dirige dichas gotitas (4) de líquido a una superficie (2; 12; 14; 20; 22; 24) objetivo para provocar una onda (8; 16a; 16b; 16c) de choque en las gotitas (4) tras el impacto, caracterizado por que la superficie objetivo no es plana y está conformada de tal manera que hay una sola zona de contacto o una pluralidad de zonas de contacto discretas entre la gotita y la superficie, con el fin de intensificar la onda de choque en la gotita

Impactos entre gotitas a alta velocidad

Esta invención se refiere a métodos y aparatos para la generación de impactos entre gotitas de liquido a alta velocidad y un objetivo con el fin de producir energías muy altas localizadas. Se refiere concretamente, aunque no exclusivamente, a la generación de energías localizadas suficientemente altas como para provocar la fusión nuclear.

El desarrollo de la energía de fusión ha sido un área de inversión masiva de tiempo y dinero durante muchos años. Esta inversión se ha centrado principalmente en el desarrollo de un reactor de fusión a gran escala, a un gran costo. Sin embargo, hay otras teorías que predicen mecanismos mucho más sencillos y baratos para la creación de la fusión. De interés aquí es el concepto paraguas de "fusión por confinamiento inercial", que utiliza fuerzas mecánicas (tales como las ondas de choque) para concentrar y enfocar la energía en áreas muy pequeñas.

Gran parte de la creencia en la fusión por confinamiento inercial viene de observaciones de un fenómenos llamado sonoluminiscencia. Esto ocurre cuando un líquido que contiene burbujas de un tamaño adecuado se conduce con una determinada frecuencia de los ultrasonidos. La onda de presión hace que la burbuja se expanda y después se contraiga muy violentamente; un proceso usualmente conocido como cavitación inercial. La rápida contracción de la burbuja conduce a la compresión desequilibrada que hace que los contenidos se calienten de tal manera que emiten luz [Gaitan, DF, Crum, L. A., Church, C. C., y Roy, R. A. Revista de la Sociedad Acústica de América 91(6), 3166- 3183 Junio (1992)]. Ha habido varios esfuerzos para intensificar este proceso y un grupo ha reivindicado la observación de la fusión [Taleyarkhan, R. P., West, C. D., Cho, J. S., Lahey, R. T., Nigmatulin, R. I., y Block, R. C. Science 295(5561), 1868-1873 Marzo (22)]. Sin embargo, los resultados observados todavía no han sido validados o reproducidos, a pesar del esfuerzo sustancial [Shapira, D. Y Saltmarsh, M. Physical Review Letters 89(1), 1432 Septiembre (22)]. Este no es el único mecanismo propuesto que ha llevado a la luminescencia a partir del colapso de una burbuja; sin embargo, es el más documentado. La luminescencia también se ha observado desde una burbuja colapsada por una fuerte onda de choque [Bourne, N. K. Y Field, J. E. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A-Mathematical Physical and Engineering Sciences 357(1751), 295-311 Febrero (1999)]. Este es el segundo método al que esta invención se refiere.

Se ha propuesto en el documento US 7445319 disparar gotas esféricas de agua que se mueven a una velocidad muy alta (~1 km/s) a un objetivo rígido para generar una onda de choque intensa. Esta onda de choque se puede utilizar para colapsar burbujas que han sido nucleadas y posteriormente se han expandido dentro de la gotita. Es dentro de la burbuja colapsada que la patente anteriormente mencionada espera que la fusión tenga lugar. El mecanismo de la generación de la onda de choque por el impacto de gotitas a muy alta velocidad sobre una superficie se ha estudiado experimentalmente y numéricamente antes y está bien documentado (incluyendo el trabajo de uno de los Inventores de la presente patente, [Haler, K. K., Ventikos, Y., Poulikakos, D., y Monkewitz, P. Journal of Applied Physlcs 92(5), 2821-2828 Septiembre (22)].)

La presente invención tiene por objeto proporcionar una mejora de las técnicas antes mencionadas y también puede tener otras aplicaciones. Cuando se ve desde un primer aspecto la invención proporciona un método de impactar gotitas de líquido sobre una superficie como se reivindica en la reivindicación 1.

La Invención también se extiende a un aparato para impactar gotitas de líquido sobre una superficie como se reivindica en la reivindicación 11.

Por lo tanto será visto por los expertos en la técnica que de acuerdo con la invención, en lugar de un objetivo plano sencillo como el que se ha empleado, el objetivo se le da forma con el fin de intensificar la onda de choque generada por el Impacto de las gotitas. Esto puede dar densidades de energía pico mucho más altas en la gotita que en las técnicas conocidas: por ejemplo el moldeado de una realización concreta del objetivo de la presente invención puede dar un pico de presión dentro de la gotita de aproximadamente el doble del obtenido con una gotita por lo demás Idéntica que impacte en un objetivo plano. La invención tiene muchas aplicaciones potenciales como se mencionará de nuevo más adelante. Sin embargo se considera que es particularmente aplicable a gotitas que tienen cavidades en las mismas por lo que el Impacto de la gotita en el objetivo provoca la implosión de las cavidades de la forma descrita específicamente en el documento US 7445319.

De acuerdo con ello, un conjunto de realizaciones comprende los pasos de producir una corriente de chorro de líquido a presión que comprende un líquido y un material de nano-partículas, que provoca la ruptura de dicha corriente de chorro produciendo una pluralidad de gotitas que contienen líquido y material de nano-partículas y la Irradiación de las gotitas con energía para producir y ampliar cavidades dentro de las gotitas. Otro conjunto de realizaciones comprende los pasos de producir una corriente de chorro de líquido a presión que comprende un líquido y una emulsión volátil y que provoca la ruptura de dicha corriente de chorro, produciendo una pluralidad de gotitas que contienen tanto dicho líquido y dicha emulsión volátil. Después la emulsión provoca la formación de burbujas en las gotitas.

Existe una amplia variedad de formas de superficie objetivo que pueden dar lugar a la intensificación de la onda de choque en las gotitas. Los inventores se han dado cuenta que un criterio importante es que la superficie esté

conformada de tal manera que el borde de la zona de contacto entre la gota y la superficie viaja a una velocidad supersónica significativamente más allá del momento inicial de la colisión, por ejemplo, para una gota de 1 micrómetros que se mueve a 1 metros por segundo, la línea de contacto permanece supersónica durante al menos 2 nanosegundos después del impacto. Los inventores han observado que en el caso de una superficie objetivo plana, cuando la gota ¡mpacta inicialmente el objetivo, el borde de la zona de contacto tiene una velocidad instantánea alta. También se ha observado que hay una onda de choque muy fuerte formada y que mientras que el movimiento de la línea de contacto entre la superficie de la gota y el objetivo permanece supersónico en relación a la velocidad del sonido del líquido, el choque permanece fijado a la pared. Durante este tiempo en el que el choque se fija a la pared, se está Intensificando. Cuando la velocidad de la línea de contacto cae por debajo de la velocidad del sonido en el líquido, el choque comienza a moverse hacia el exterior en la gotita para golpear finalmente la burbuja nucleada dentro del Interior de la gotita.

Al hacer que la forma de la superficie del objetivo se ajuste a la forma de la gotita de acuerdo con la invención, la velocidad de propagación del borde de la zona de contacto se mantiene a un nivel supersónico durante un tiempo más largo, que lleva a una onda de choque más fuerte.

En un conjunto de realizaciones preferentes, la superficie objetivo es cóncava lo cual tiene el efecto de concentrar la energía y la intensificación de la formación inicial de la onda de choque. En algunos ejemplos no limitantes, la superficie podría tener una forma elipsoide o paraboloide. La superficie no necesita se curva de forma continua. Por ejemplo, en un conjunto de realizaciones la superficie objetivo comprende una pluralidad de partes distintas, por ejemplo, con un gradiente de discontinuidad entre ellas. Las partes podrían ser ellas mismas elipses parciales, parábolas, y así sucesivamente, pero igualmente podrían ser rectas. Un conjunto particular de realizaciones de superficies hechas de partes distintas se podrían describir como polinómicas por tramos.

La superficie objetivo de acuerdo con la invención podría ser conformada de tal manera que haya una sola zona de contacto que genera una sola onda de choque (por ejemplo como sería el caso con una superficie elíptica o forma parabólica). Sin embargo, en un conjunto de realizaciones potencialmente ventajosas, la superficie tiene una forma tal que existe una pluralidad de puntos de contacto discretos entre la gotita y la superficie y por lo tanto una pluralidad de zonas de contacto discretos y ondas de choque que se propagan en la gotita debido a las interacciones de las ondas de choque que avanzan en la gotita en un momento posterior que el régimen de la línea de contacto supersónico.... [Seguir leyendo]

1.- Un método de impactar las gotitas de líquido sobre una superficie que comprende proporcionar una serie de gotitas (4) de líquido, que dirige dichas gotitas (4) de líquido a una superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) objetivo para provocar una onda (8; 16a; 16b; 16c) de choque en las gotitas (4) tras el impacto, caracterizado por que la superficie objetivo no es plana y está conformada de tal manera que hay una sola zona de contacto o una pluralidad de zonas de contacto discretas entre la gotita y la superficie, con el fin de intensificar la onda de choque en la gotita.

2.- Un método como el reivindicado en la reivindicación 1, que comprende la producción de una corriente de chorro líquido presurizado de un líquido y un material de nano-partículas, provocando la rotura de dicha corriente de chorro para producir una pluralidad de gotitas (4) que contienen líquido y material de nano-partículas, y la irradiación de las gotitas (4) con energía para producir y ampliar las cavidades en el interior de las gotitas (4).

3.- Un método como el reivindicado en la reivindicación 1, que comprende la producción de una corriente de chorro de líquido presurizado que comprende un líquido y una emulsión volátil, y provocando la rotura de dicha corriente de chorro para producir una pluralidad de gotitas (4) que contienen tanto el citado líquido como dicha emulsión volátil.

4.- Un método como el reivindicado en la reivindicación 1, 2 o 3, en el que la superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) está conformada de tal manera que el borde de la zona de contacto entre la gotita (4) y la superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) viaja a una velocidad supersónica significativamente más allá del momento inicial de la colisión.

5.- Un método como el reivindicado en cualquier reivindicación precedente, en el que la forma de la superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) objetivo está dispuesto para adaptarse a la forma de la gotita.

6.- Un método como el reivindicado en cualquier reclamación precedente, en el que la superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) objetivo es cóncava.

7.- Un método como el reivindicado en cualquier reivindicación precedente, en el que la superficie (14; 2) objetivo comprende una pluralidad de partes (14a, 14b, 14c; 2a, 2b) discretas.

8.- Un método como el reivindicado en cualquier reivindicación precedente, en el que la superficie (14; 2; 22; 24) objetivo está formada de tal manera que hay una pluralidad de puntos de contacto iniciales discretos entre la gotita (4) y la superficie (14; 2; 22; 24).

9.- Un método como el reivindicado en la reivindicación 8, en el que la superficie (22; 24) objetivo comprende una pluralidad de protuberancias (26; 28) para actuar como la pluralidad de puntos de contacto iniciales discretos.

- Un método como el reivindicado en cualquier reivindicación precedente, empleado para generar reacciones de fusión nucleares.

11- Un aparato para impactar las gotitas de líquido sobre una superficie que comprende medios para producir una serie de gotitas (4) de líquido, medios para dirigir dichas gotitas (4) de líquido a una superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) objetivo para provocar una onda de choque (8; 16a, 16b, 16c) en las gotitas (4) tras el impacto caracterizado por que dicha superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) objetivo no es plana y está conformada de tal manera que hay una sola zona de contacto o una pluralidad de zonas de contacto discretas entre la gotita y la superficie, con el fin de intensificar la onda de choque en la gotita (4).

12 - Un aparato como el reivindicado en la reivindicación 11, que comprende medios para producir una corriente de chorro de líquido a presión que comprende un líquido y un material de nano-partículas, medios para provocar la rotura de dicha corriente de chorro para producir una pluralidad de gotitas (4) que contienen líquido y material de nano-partículas, y medios para irradiar las gotitas (4) con energía para producir y ampliar las cavidades en el interior de las gotitas (4).

13.- Un aparato como el reivindicado en la reivindicación 11, que comprende medios para producir una corriente de chorro líquido a presión que comprende un líquido y una emulsión volátil, y medios para provocar la rotura de dicha corriente de chorro para producir una pluralidad de gotitas (4) que contienen tanto el citado líquido como dicha emulsión volátil.

14.- Un aparato como el reivindicado en las reivindicaciones 11, 12 o 13, en el que la superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) está conformada de tal manera que el borde de la zona de contacto entre la gotita (4) y la superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) viaja a una velocidad supersónica significativamente más allá del momento inicial de la colisión.

15.- Un aparato como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en el que la forma de la superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) objetivo está dispuesta para adaptarse a la forma de la gotita (4).

16.- Un aparato como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, en el que la superficie (2; 12; 14; 2; 22; 24) objetivo es cóncava.

17.- Un aparato como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, en el que la superficie (14; 2)

objetivo comprende una pluralidad de partes (14a, 14b, 14c; 2a, 2b) discretas.

18.- Un aparato como el reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 17, en el que la superficie (14; 2; 22; 24) objetivo está conformada de tal manera que hay una pluralidad de puntos de contacto iniciales discretos entre la gotita (4) y la superficie (14; 2; 22; 24).

19.- Un aparato como el reivindicado en la reivindicación 18, en el que la superficie (22; 24) objetivo comprende una

pluralidad de protuberancias (26; 28) para actuar como la pluralidad de puntos de contacto iniciales discretos.

2.- El uso del aparato reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 19, para generar reacciones de fusión nuclear.